CV君 2025-10-02 13:22 江苏
当AI视觉遇上多传感器融合，SLAM的下一站在哪？武大给出了答案。
大家好，今天CV君想和大家聊一个机器人和自动驾驶领域的核心技术——SLAM。简单来说，SLAM（即时定位与地图构建）就是要解决一个根本问题：一个机器人在未知环境中，如何知道“我在哪？”以及“周围长啥样？”。这个问题解决了，才能实现真正的自主导航。
近年来，基于学习的“前馈式”视觉模型（Feed-forward Models）给SLAM领域带来了新的活力。它们能直接从图像中“看”出3D结构，在弱纹理等传统方法抓瞎的场景里表现出色。但这些新方法往往是“纯视觉”的，忽略了机器人身上其他有用的传感器，比如IMU（惯性测量单元）和GNSS（全球导航卫星系统）。
如何将新潮的AI视觉模型与经典的多传感器融合技术优雅地结合起来？来自武汉大学的研究者们给出了一个漂亮的答案——MASt3R-Fusion。
在MASt3R-Fusion之前，SLAM领域主要有两大技术路线：
经典几何方法：比如大家熟知的ORB-SLAM系列，它们通过匹配图像间的特征点来计算位姿，依赖多视几何，但在纹理稀疏或快速运动时容易失效。前馈式视觉模型：比如近两年大火的DUSt3R、MASt3R等。这些模型用深度学习的方式，直接从两张图片回归出稠密的3D点云和匹配关系。它们见过海量数据，自带强大的3D空间先验，因此在弱纹理场景下非常鲁棒。但缺点是，它们是纯视觉的，存在尺度不确定性（地图可能会随时间整体变大或变小），而且没有利用IMU、GNSS这些能提供真实尺度和绝对位置的宝贵信息。MASt3R-Fusion的目标，就是取二者之长，将前馈式模型的强大视觉感知能力与传统多传感器融合的高精度、全局一致性结合起来。
MASt3R-Fusion的系统框架非常清晰，分为实时SLAM和全局优化两个主要阶段。
系统的前端，也就是“眼睛”，采用了一个类似MASt3R的前馈式模型。它接收图像对，直接输出稠密的3D点图（pointmaps）和特征描述子。这为后续的位姿估计和数据关联提供了非常鲁棒和稠密的信息。
MASt3R-Fusion的核心是一个基于“因子图（Factor Graph）”的优化框架。CV君打个比方，因子图就像一张“关系网”，上面有代表机器人状态（位姿、速度等）的“节点”，以及代表各种传感器测量信息的“边”（因子）。比如：
IMU预积分因子：提供了连续帧之间高频的运动信息。GNSS因子：提供了全局绝对位置信息。视觉因子：提供了相邻或有重叠区域的帧之间的相对位姿关系。整个系统就是通过求解这张“关系网”，找到一个最优的机器人轨迹和地图，使其最符合所有传感器的测量结果。
关键创新：从Sim(3)到SE(3)的桥梁这里就引出了本文最核心的技术贡献。前馈视觉模型估计的位姿和地图是在一个“相似变换”空间（Sim(3)）下的，也就是说它的尺度会漂移。而IMU和GNSS的测量是在真实的“米”为单位的度量空间（SE(3)）下的。如何将这两种不同“语言”的信息融合在一起呢？
作者设计了一种新颖的基于Sim(3)的视觉对齐约束，并将其巧妙地转换为SE(3)因子图能够理解的形式。如下图所示，它不再像传统BA（Bundle Adjustment）那样联合优化所有地图点和相机位姿，而是基于前馈模型提供的可靠的（无尺度）3D结构，只优化相机位姿和点云的尺度。
通过引入“同构群变换”，论文在理论上完美地搭建了一座从Sim(3)到SE(3)的桥梁，使得视觉信息可以被严谨地、紧耦合地融入到多传感器优化框架中。
此外，系统还设计了分层的因子图结构，兼顾了实时性的滑动窗口优化和全局一致性的回环检测与优化，使得系统既快又准。
MASt3R-Fusion在多个公开数据集和自采数据集上都取得了非常出色的表现。
在经典的KITTI-360数据集上，无论是VIO（视觉惯性里程计）的相对位姿精度，还是加入回环和全局优化后的绝对轨迹精度，MASt3R-Fusion都显著优于ORB-SLAM3、VINS-Fusion等知名系统。
在更具挑战性的SubT-MRS洞穴数据集上，面对弱纹理、光照变化剧烈的环境，MASt3R-Fusion的优势更加明显，轨迹精度远超其他方法。
在融合GNSS的城市场景测试中，MASt3R-Fusion表现出极强的鲁棒性。即使在GNSS信号出现粗差甚至中断100秒的情况下，系统依然能凭借强大的VIO性能和全局优化能力，保持亚米级的定位精度。
最后，系统还能实时重建出稠密且度量准确的3D地图，效果非常惊艳。
总的来说，MASt3R-Fusion做了一件非常漂亮的工作：它没有在“学习派”和“几何派”之间做选择，而是将前沿的AI视觉模型作为了一个强大的“视觉传感器”，并将其无缝地、严谨地融入到了经典的多传感器融合优化框架中。这不仅发挥了AI模型在感知上的鲁棒性，也继承了传统优化方法在精度和全局一致性上的优势。
将学习方法和经典优化框架融合，是近年来SLAM领域的一大趋势，大家对此怎么看？欢迎在评论区留下你的看法！
